周科平， 薛 軻， 劉濤影

（中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙410083）

巖石破碎一直是采礦工程等行業(yè)攻克的基本課題［1］。 目前我國巖石破碎主要采用爆破［2-3］、機(jī)械破碎等方法，然而這些方法或作業(yè)危險，或經(jīng)濟(jì)成本高。微波加熱技術(shù)目前在礦業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 金屬礦物內(nèi)部的不同組分對微波有不同的感度，金屬礦物有較好的吸波能力，而脈石等礦物對微波的感度極差。這就說明對巖石進(jìn)行微波加熱，將使其內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，從而產(chǎn)生應(yīng)力差，使巖石內(nèi)部產(chǎn)生新的孔隙和微裂紋，或使原有孔隙裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，從而使巖石強(qiáng)度降低。 故微波加熱技術(shù)可以應(yīng)用到巖石破碎領(lǐng)域，提高破巖的效率，產(chǎn)生新的破巖方法。

近年來，國內(nèi)外專家通過大量的試驗(yàn)和理論來論證該方法的高效性［4-11］。 從本質(zhì)上來看，微波作用對巖石的損傷是其內(nèi)部孔隙及細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生擴(kuò)展，從而導(dǎo)致巖石力學(xué)性能劣化的結(jié)果。 為此，國內(nèi)外學(xué)者先后應(yīng)用掃描電鏡法、CT 掃描法等手段來研究微波作用過后巖石的內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化。 通過研究發(fā)現(xiàn)，這些方法均存在一定的局限性，如CT 掃描法對于巖石內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)難以反映出來。 而核磁共振技術(shù)可以更直觀地反映巖石的內(nèi)部孔隙特征［12］。 本文將核磁共振技術(shù)應(yīng)用到微波作用巖石損傷研究中，通過對紅砂巖試樣進(jìn)行微波作用試驗(yàn)，利用核磁共振技術(shù)得到試樣經(jīng)微波作用前后的T2譜圖形、孔隙度以及MRI 圖像，分析得到巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變化特征；同時結(jié)合超聲波波速及強(qiáng)度測試等輔助手段，得到了紅砂巖在微波作用下的內(nèi)部細(xì)觀損傷演化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案與過程

試驗(yàn)中所用巖樣取自某地的紅砂巖，參照相關(guān)操作規(guī)程，將巖石試樣加工成直徑50 mm、高100 mm 的圓柱形試件。 為避免巖石試樣各向異性的影響，對于離散性較大的試樣予以剔除，本次試驗(yàn)挑選外觀及孔隙度相差不大的巖石試樣。 為避免試樣含水率對試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)前將試樣在常溫下靜置數(shù)天。 試樣礦物成分見表1。

表1 紅砂巖中主要礦物成分含量及介電常數(shù)

本次試驗(yàn)試樣分成4 組，N-1 ～N-3 為一組，N-4 ～N-6 為一組，N-7～N-9 為一組，N-10 ～N-12 為一組。 保持微波作用時長4 min 不變，微波作用功率分別設(shè)定為1 kW，2 kW，3 kW，4 kW。

微波試驗(yàn)儀器采用株洲微朗科技有限公司生產(chǎn)的WLKJ-D6 間歇式標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)爐，如圖1 所示。 在試樣經(jīng)微波作用后，用手持式紅外測溫儀測試試樣表面溫度。自然冷卻后再對其分別進(jìn)行超聲波測試、核磁共振測試及力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)，未經(jīng)微波作用的紅砂巖試樣作為參考組，用以做對比。

圖1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 微波作用下巖石宏觀力學(xué)參數(shù)變化

2.1.1 巖石聲波波速

超聲波在巖石中的傳播與多種因素相關(guān)，其主要包括巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、巖石類型、試驗(yàn)溫度以及巖樣含水率等。 在本次試驗(yàn)中，影響巖石試件的波速主要與其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)，巖石的波速變化反映巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化情況。 一般來說，巖石的波速越低，巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)越發(fā)育，其性質(zhì)也就越差。 通過波速測試得到試樣不同微波功率作用前后的波速如表2 所示。 由此得出，隨著微波作用功率增加，試件波速逐漸降低。

表2 微波作用前后聲波及孔隙度測試結(jié)果

根據(jù)表2 中數(shù)據(jù)，將微波作用功率與巖樣波降率進(jìn)行回歸分析，得到兩者之間的關(guān)系如圖2 所示。 波降率η 計(jì)算公式為：

圖2 微波作用功率與試樣波降率的關(guān)系

由表2 數(shù)據(jù)可知，在微波作用功率為1 kW 時，波速變化不明顯；當(dāng)微波作用功率增加到2 kW 時，波速平均下降了8.3%；當(dāng)微波作用功率增加到4 kW 時，巖石試件波速平均下降了26.2%。 在微波作用功率增加的過程中，波降率逐漸增大，在微波作用功率小于3 kW 時，波速變化不明顯，隨著微波作用功率繼續(xù)增加，試樣波降率持續(xù)增大，保持著更高的增長速率。

2.1.2 巖石孔隙度變化

對微波作用前后的紅砂巖試樣進(jìn)行了核磁共振測試，所得結(jié)果如表2 所示。 根據(jù)表中的數(shù)值，將微波作用功率與巖樣孔隙變化率進(jìn)行回歸分析，得到了巖樣孔隙變化率與微波作用功率兩者的關(guān)系如圖3 所示?？紫蹲兓蔜 計(jì)算公式為：

圖3 微波作用功率與試樣孔隙度變化率的關(guān)系

據(jù)表2 數(shù)據(jù)可知，當(dāng)微波作用功率為1 kW 和2 kW 時，巖樣平均孔隙度變化率分別為2.5%和6.9%，曲線上升緩慢，其孔隙度變化率相對較小，當(dāng)微波作用功率上升到3 kW 時，其平均孔隙度變化率急劇上升，達(dá)到了18.0%，孔隙變化較為明顯。 當(dāng)微波作用功率繼續(xù)增加到4 kW 時，曲線繼續(xù)上升，平均孔隙度達(dá)到了30.4%。 可知在使用大功率微波作用時，巖樣孔隙變化更為明顯。

2.1.3 巖石試樣表面升溫特性

微波作用4 min 后，記錄了不同微波功率作用下巖石表面溫度，結(jié)果如表3 所示。 從表中得出，在相同時間內(nèi)，隨著微波作用功率增加，試樣表面溫度和升溫速率都隨之增加。 該結(jié)果與Hassani［4］等研究得出的結(jié)果基本一致，即在高功率微波作用下，巖石表面升溫速率更快。

2.1.4 巖石單軸抗壓強(qiáng)度

在微波作用下，巖石試樣的單軸抗壓強(qiáng)度與試樣的損傷程度有關(guān)，聲波測試和核磁共振測試結(jié)果表明試樣的損傷程度與微波作用的功率有很大關(guān)系。 將微波作用后的試樣進(jìn)行單軸抗壓測試，并與未經(jīng)微波作用的試樣進(jìn)行對比，測試結(jié)果如表3 所示。 從表中可以得出，隨著微波作用功率增加，試樣表面溫度越高，單軸抗壓強(qiáng)度越小，即試樣的單軸抗壓強(qiáng)度與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表3 微波作用前后試樣單軸抗壓強(qiáng)度對比及表面溫度測試結(jié)果

圖4 為微波作用功率與單軸抗壓強(qiáng)度變化率兩者之間的線性回歸分析。 單軸抗壓強(qiáng)度變化率D 公式為：

式中σ0為巖體平均單軸抗壓強(qiáng)度，MPa，這里σ0＝105.3 MPa。

圖4 微波作用功率與單軸抗壓強(qiáng)度變化率的關(guān)系

結(jié)果表明，微波作用后試樣的單軸抗壓強(qiáng)度與微波作用功率有關(guān)，微波功率越大，試樣單軸抗壓強(qiáng)度劣化越明顯，其中微波作用功率為3 kW，試樣的平均單軸抗壓強(qiáng)度劣化了8.6%，微波作用功率為4 kW，試樣的單軸抗壓強(qiáng)度劣化了12.9%，其劣化程度較大，且?guī)r石開始出現(xiàn)宏觀破壞。

2.2 微波作用下巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征

2.2.1 巖石試樣核磁共振T2譜分布變化

通過對微波作用前后巖石試樣進(jìn)行核磁共振測試，得到了巖樣T2譜分布曲線。 T2值表征弛豫時間，其與孔隙直徑成正相關(guān)，即較小的T2值對應(yīng)小的孔隙直徑，較大的T2值則對應(yīng)較大的孔隙直徑。 孔隙度分量是指試樣相應(yīng)尺寸孔隙所占總孔隙百分比。 本次試驗(yàn)定義弛豫時間小于10 ms 為小孔隙，10 ～100 ms 為中孔隙，大孔隙則對應(yīng)弛豫時間大于100 ms。

本次以N-7 和N-10 試樣為例，圖5 為N-7 和N-10試樣經(jīng)微波作用前后的核磁共振T2譜分布曲線。 從圖5 中可以看出：N-7 試樣在經(jīng)微波作用后，T2譜的兩個峰均出現(xiàn)增長，尤其第二個波峰有較大增長，信號強(qiáng)度有大幅提高，小孔隙、中孔隙、大孔隙均表現(xiàn)為不同程度的增長；尤以中孔隙擴(kuò)展更為明顯，表明巖石試件內(nèi)部經(jīng)微波作用后孔隙度增長迅速。 N-10 試樣在經(jīng)微波作用后，第一個波峰出現(xiàn)略微下降，第二個波峰迅速增長，說明該階段孔隙發(fā)育以大、中孔隙為主，小尺寸孔隙發(fā)育趨勢不明顯，分析可能是試樣經(jīng)微波作用后，在產(chǎn)生新小孔隙的同時，內(nèi)部原有的一些小孔隙向大、中孔隙擴(kuò)展。 其中N-10 試樣表面出現(xiàn)較為明顯的裂縫，這與核磁共振測試實(shí)際結(jié)果相符。

圖5 微波作用前后試樣核磁共振T2 譜的演化

根據(jù)孔徑大小劃分類別，對不同微波作用功率試樣的T2分布曲線進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，得到微波作用前后不同孔徑類別孔隙度如表4 所示。

表4 微波作用前后不同孔徑類別的孔隙度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表4 可知，試樣經(jīng)微波作用后，不同孔徑類別的孔隙度基本都有不同程度上升。 當(dāng)微波作用功率小于3 kW 時，大、中、小孔隙度上升不明顯；而當(dāng)微波作用功率達(dá)到3 kW 時，大、中孔隙發(fā)展迅速，而小孔隙發(fā)育較為遲緩，其中大孔隙增幅超過了100%。 即可以得出，隨著微波作用功率增加，大孔隙發(fā)展迅速，增幅逐漸增大。

根據(jù)孔徑大小劃分類別，對N-7 和N-10 試樣的T2分布曲線進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，得到微波作用前后不同孔徑類別占比如圖6 所示。

圖6 不同微波功率作用條件下的試樣孔徑分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從圖6 可知，N-7 試樣在微波作用前以中、小孔隙為主，且兩類孔隙占比90%以上。 試樣經(jīng)微波作用后，試樣總的孔隙度在增加，大、中、小孔隙均有不同程度增長，其中大、中孔隙增幅較大，而小孔隙增幅較小。即造成小孔隙比例相應(yīng)減小，大、中孔隙比例增加。 此外，從圖6 還可以看出，當(dāng)微波作用功率為4 kW 時，N-10 試樣經(jīng)微波作用后大孔隙比例增加幅度比N-7試樣更為明顯。 這說明微波作用功率越大，其大、中孔隙占比越大，巖石試樣內(nèi)部缺陷越多，即巖石試樣微觀損傷越大，越有利于巖石的破碎。

2.2.2 核磁共振成像

通過核磁共振測試，可以得到試樣微波作用前后的MRI 圖像。 以N-10 試樣為例，試驗(yàn)中截取3 個面進(jìn)行成像，結(jié)果見圖7。 圖中淺色區(qū)域表明有孔隙存在，深色區(qū)域表明無孔隙存在。 由圖7 可見，不同截面孔隙量不同，試樣在微波作用前白色光點(diǎn)少且暗淡，分布較為均勻，說明微波作用前試樣以中、小孔隙為主；而在微波作用后，3 個截面亮點(diǎn)都較之前更多，并且有多個亮點(diǎn)光團(tuán)，說明微波作用后試樣大、中孔隙較之前增多。 其中可看出微波作用后截面2 ～3 都可見一條較為清晰的裂縫，這與試樣經(jīng)微波作用后表面出現(xiàn)裂縫的結(jié)果相符。

圖7 N-10 試樣在微波作用前后的MRI 圖像和作用后表面情況

2.3 孔隙度變化率與單軸抗壓強(qiáng)度相關(guān)性研究

通過試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，孔隙度變化率越大，試樣的單軸抗壓強(qiáng)度越小，這說明試樣孔隙度變化率與單軸抗壓強(qiáng)度之間存在一定的相關(guān)性。 將孔隙度變化率與試樣單軸抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行回歸分析，得到兩者之間的關(guān)系如圖8 所示。

3 討 論

本次試驗(yàn)的目的在于研究不同微波功率作用下紅砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育程度、力學(xué)性質(zhì)變化等。本次試驗(yàn)選取的試樣初始孔隙度、波速都相差不大，試驗(yàn)結(jié)果得出了較強(qiáng)的規(guī)律性。 試樣在微波作用下，由于內(nèi)部的礦物質(zhì)成分對微波的吸收能力不同，在內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力差，內(nèi)部固體礦物體積膨脹使巖石內(nèi)部缺陷增加，進(jìn)而引起巖石物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。 而隨著微波作用功率增加，試樣表面溫度也隨之升高，巖石內(nèi)部水分也會蒸發(fā)，從而促使微裂紋的發(fā)展。 通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在微波作用過程中，巖石試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化主要有以下兩個原因：

圖8 孔隙度變化率與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

1） 試樣內(nèi)部各礦物成分介電常數(shù)不同，從而使不同礦物成分吸波能力不同，介電常數(shù)大的礦物成分吸波能力更強(qiáng)。 從表1 可知，試樣內(nèi)部各主要礦物成分的介電常數(shù)相差較大，巖石試樣經(jīng)微波作用后，內(nèi)部升溫不均，從而在巖石內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力差，各礦物顆粒之間相互產(chǎn)生壓、拉應(yīng)力，使巖石內(nèi)部的微裂隙繼續(xù)擴(kuò)展并產(chǎn)生新的微裂紋。 隨微波作用功率增加，巖石內(nèi)部的微裂隙發(fā)展愈強(qiáng)。

2） 在微波作用功率為1 kW 和2 kW 時，試樣平均表面溫度分別為159 ℃和253.3 ℃，巖石試樣內(nèi)部附著水逸出，另外部分結(jié)合水也逐漸逸出。 巖石試樣內(nèi)部水分的喪失促使微裂紋發(fā)展，內(nèi)部缺陷增加，巖石孔隙度上升，波速和單軸抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)為不同程度的衰減；當(dāng)微波作用功率增大至3 kW 和4 kW 時，試樣平均表面溫度分別為311.3 ℃和358.7 ℃，這時巖石試樣內(nèi)部結(jié)合水喪失，結(jié)構(gòu)水也逐漸蒸發(fā)，內(nèi)部微裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，巖石孔隙度上升明顯，波速和單軸抗壓強(qiáng)度均有了較大降幅。

4 結(jié) 論

1） 紅砂巖經(jīng)微波作用后，巖石試樣內(nèi)部缺陷增多，波速和單軸抗壓強(qiáng)度降低明顯。 在微波作用功率為2 kW 時，超聲波波速和單軸抗壓強(qiáng)度平均衰減幅度較?。划?dāng)微波作用功率為3 kW 時，波速平均衰減幅度達(dá)到了17.1%，單軸抗壓強(qiáng)度平均劣化幅度為8.6%。當(dāng)作用功率達(dá)到4 kW 時，其衰減結(jié)果更為明顯。 由此可見微波作用功率2 kW 為一個臨界值，超過2 kW更有利于砂巖內(nèi)部損傷。

2） 隨著微波作用功率增加，巖石內(nèi)部孔隙變化率逐漸增大。 在微波作用功率為4 kW 時，孔隙度平均降低了30.4%。 當(dāng)微波作用功率大于2 kW 時，核磁共振檢測得到試樣的弛豫曲線波峰信號增強(qiáng)，巖石試樣內(nèi)部孔隙以大、中孔隙發(fā)育為主。 在微波作用功率為4 kW 時，N-10 試樣表面出現(xiàn)了宏觀裂紋，核磁共振檢測得到的T2譜曲線和MRI 圖像與實(shí)際結(jié)果相符。

3） 微波作用引起紅砂巖內(nèi)部孔隙增加，主要原因在于巖石試樣內(nèi)部各礦物成分升溫不均勻而產(chǎn)生熱應(yīng)力差，各礦物顆粒之間產(chǎn)生壓、拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致試樣內(nèi)部孔隙增多。 另外巖石試樣內(nèi)部水分喪失促使微裂隙繼續(xù)擴(kuò)展和新微裂隙的產(chǎn)生。